CN103306393A - 驱动能量自供给磁流变阻尼器 - Google Patents
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Abstract
本发明一种自集能自传感磁流变阻尼器，解决现有的磁流变阻尼器过分依赖于外置传感器及控制电源的问题，提高磁流变减震装置的可靠性并降低其造价和维护费用。它包括外套筒、密封件、阻尼器活塞杆、阻尼器电磁线圈、磁流变液、发电单元和运动方式转换单元，外套筒内安装有密封件、阻尼器活塞杆、阻尼器电磁线圈、磁流变液、发电单元和运动方式转换单元。在阻尼器活塞杆来回往复平动过程中，运动方式转换装置和发电机将机械能转化为电能，供给阻尼器电磁线圈，改变阻尼器的阻尼性能。本发明结构简单，易于实现，不仅可以大大降低磁流变阻尼装置的初始造价和后期维护费用。本发明具有智能性，可以通过外载激励的不同而产生不同的阻尼效果。
Description
技术领域
本发明涉及减震控制技术，具体说就是一种驱动能量自供给磁流变阻尼器。
背景技术
在地震或风振激励作用下，因建筑和桥梁结构破坏而造成人员伤亡和直接或间接的严重经济损失。传统抗震技术中，往往采用结构本身的弹塑性变形消耗地震或风振的能量，从而保证建筑和桥梁结构的安全性和正常使用性。结构振动控制理论如隔震或消能减振的引入，使得抗震技术从理论、实验研究和工程应用方面都取得了较大的进展。结构振动控制主要是通过附加耗能器或阻尼器提供附加阻尼，以消耗输入结构的能量，从而更大程度上保护建筑和桥梁结构。因其阻尼力可调范围大、出力大、低功耗需求、反应迅速等优点，磁流变(Magnetorheological，MR)阻尼器在土木工程控制领域展现出了良好的应用前景。现有的磁流变减震装置存在的问题是：需要外置的电源及传感器配合工作，在大型建筑或桥梁结构中，装置过于复杂，且大大增加了整个结构的造价；过多的组件，使得总体维护费用过高，且降低了装置的可靠性。
发明内容
本发明的目的在于提供一种驱动能量自供给磁流变阻尼器，用于防震建筑和桥梁结构，解决现有的磁流变阻尼器过分依赖于外置传感器及控制电源的问题，提高磁流变减震装置的可靠性并降低其造价和维护费用。
本发明的目的是这样实现的：一种驱动能量自供给磁流变阻尼器，包括第一连接头(1)、第二连接头(16)、外套筒(7)、密封件(4)、阻尼器活塞杆(8)、阻尼器电磁线圈(6)和磁流变液，第一接头(1)安装在外套筒(7)的一端，第二连接头(16)安装在阻尼器活塞杆(8)的一端，本发明还包括运动方式转换单元(5)和发电单元(2)，密封件(4)将外套筒(7)内部隔成两个密封的腔室，发电单元安装在第一腔室(14)内，阻尼器电磁线圈(6)安装于第二腔室(15)内，磁流变液填充于第二腔室内，所述的运动方式转换单元包括齿条(11)、直齿轮(12)、锥齿轮(13)和转动轴(3)，阻尼器活塞杆(8)另外一端位于外套筒(7)内部，该端安装有一中空的管形结构，该中空的管形结构的一端穿过密封件(4)伸入到第一腔室内，该中空的管形结构内安装有齿条(11)，转动轴(3)的一端伸入到该中空的管形结构内，齿条(11)与直齿轮(12)连接，直齿轮(12)与锥齿轮(13)连接，锥齿轮(13)与转动轴(3)的一端连接，发电单元包括整流器、永磁体转子(9)和定子线圈(10)，转动轴(3)的另外一端与永磁体转子(9)连接，定子线圈(10)位于永磁体转子(9)外围，永磁体转子(9)和定子线圈(10)分别与整流器电气连接，整流器与阻尼器电磁线圈电气连接。定子线圈(10)上涂抹一层绝缘树脂实现与外壳(7)及密封件(4)的绝缘保护。
本发明还有如下特征：
1、一种驱动能量自供给磁流变阻尼器，包括第一连接头(1)、第二连接头(16)、外套筒(7)、密封件(4)、阻尼器活塞杆(8)、阻尼器电磁线圈(6)和磁流变液，第一接头(1)安装在外套筒(7)的一端，第二连接头(16)安装在阻尼器活塞杆(8)的一端，本发明还包括运动方式转换单元(5)和发电单元(2)，密封件(4)将外套筒(7)内部隔成两个密封的腔室，发电单元(2)安装在第一腔室(14)内，阻尼器电磁线圈(6)安装于第二腔室(15)内，磁流变液填充于第二腔室内，所述的运动方式转换单元包括齿条(11)、直齿轮(12)、锥齿轮(13)和转动轴(3)，阻尼器活塞杆(8)另外一端位于外套筒(7)内部，该端安装有一中空的管形结构，该中空的管形结构的一端穿过密封件(4)伸入到第一腔室内，转动轴(3)的一端伸入到该中空的管形结构内，阻尼器活塞杆(8)内刻与转动轴(3)配合的多头螺纹从而推动转动轴(3)转动，发电单元(2)包括整流器、永磁体转子(9)和定子线圈(10)，转动轴(3)的另外一端与永磁体转子(9)连接，定子线圈(10)位于永磁体转子(9)外围，永磁体转子(9)与整流器电气连接，整流器与阻尼器电磁线圈电气连接。
2、在阻尼器活塞杆来回往复平动过程中，运动方式转换单元和发电单元将机械能转化为电能，供给阻尼器电磁线圈，改变阻尼器的阻尼性能。
3、该阻尼器用于防震建筑和桥梁结构的减震。
本发明结构简单，易于实现，不仅可以大大降低磁流变阻尼装置的初始造价和后期维护费用，而且因结构的简易而提高整个装置的可靠性。本发明不需要额外的外置电源和传感器，占用空间大大降低。本发明充分利用了外载激励的能量，不仅节省了能源，而且充分实现了以振制振，符合可持续发展战略要求。本发明具有智能性，可以通过外载激励的不同而产生不同的阻尼效果。
附图说明
图1为本发明的实施例1的结构示意图；
图2为发电单元示意图；
图3为运动转换单元示意图；
图4是磁流变效应原理图之一；
图5是磁流变效应原理图之二；
图6是磁流变阻尼器工作原理图；
图7是本发明的实施例7的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图举例对本发明作进一步说明。
实施例1：结合图1、图2、图3，一种驱动能量自供给磁流变阻尼器，包括第一连接头(1)、第二连接头(16)、外套筒(7)、密封件(4)、阻尼器活塞杆(8)、阻尼器电磁线圈(6)和磁流变液，第一接头(1)安装在外套筒(7)的一端，第二连接头(16)安装在阻尼器活塞杆(8)的一端，本阻尼器还包括运动方式转换单元和发电单元，密封件(4)将外套筒(7)内部隔成两个密封的腔室，发电单元安装在第一腔室内，阻尼器电磁线圈(6)安装于第二腔室内，磁流变液填充于第二腔室，所述的运动方式转换单元包括齿条(11)、直齿轮(12)、锥齿轮(13)和转动轴(3)，阻尼器活塞杆(8)另外一端位于外套筒(7)内部，该端安装有一中空的管形结构，该中空的管形结构的一端穿过密封件(4)伸入到第一腔室内，该中空的管形结构内安装有齿条(11)，转动轴(3)的一端伸入到该中空的管形结构内，齿条(11)与直齿轮(12)连接，直齿轮(12)与锥齿轮(13)连接，锥齿轮(13)与转动轴(3)的一端连接，发电单元包括整流单元、滤波单元、永磁体转子(9)和定子线圈(10)，转动轴(3)的另外一端与永磁体转子(9)连接，定子线圈(10)位于永磁体转子(9)外围，永磁体转子(9)和定子线圈(10)分别与整流单元电气连接，整流单元跟滤波单元电气连接，滤波单元与阻尼器电磁线圈电气连接。定子线圈(10)上涂抹一层绝缘树脂实现与外壳(7)及密封件(4)的绝缘保护。
实施例2：结合图1、图2、图3，本发明将磁电转换技术集成于磁流变阻尼器，磁流变减震装置的结构极大地简化；磁电发电机将地震或风振输入结构的部分机械能转化为电能，既能保证为阻尼器供电，也充分利用了外界振动能量，实现以振制振；磁电发电机可根据活塞杆的运动速度幅值而产生不同的电流或电压值，符合“大振动大电流，小振动小电流”的规则，对应于“大振动需大阻尼力，小振动需小出力”的要求，合理参数的调整选取，即可实现磁流变阻尼器自传感自集能于一体。在阻尼器活塞杆(8)来回往复平动过程中，运动方式转换单元将平动转化为转动，带动转动轴(3)转动，发电单元的转子与转动轴一体转动，进而将机械能转化为电能，由导线供给阻尼器电磁线圈，改变阻尼器的阻尼性能。
本发明是为了解决现有的磁流变阻尼器过分依赖于外置传感器及控制电源的问题，且为了提高磁流变减震装置的可靠性并降低其造价和维护费用，提出一种新型驱动能量自供给磁流变阻尼器。驱动能量自供给磁流变阻尼器，它包括活塞杆、外套筒、运动方式转换装置和磁电发电机装置。电机装置内置于阻尼器固定端部分，可以转换阻尼器的机械能为电能并供给阻尼器使用。为充分实现磁流变阻尼器的传感和集能于一体，本发明利用磁电发电技术为阻尼器供电。本发明中，采用平动变转动的运动方式转换装置，将阻尼器活塞杆的来回往复的机械能转换为磁电发电机的机械能，进而转化为电能。该能量转换过程原理简便，设计简单，大大提高了磁流变减震装置的可靠性。本发明利用地震或风振激励输入的能量，转为电能为阻尼器供电，可间接耗散振动能量，保护结构；阻尼力因电能而改变，可直接耗散振动能量，保护结构。
实施例3：结合图4-6，阻尼器的工作原理：磁流变阻尼器是基于磁流变液的磁流变效应而制作的。阻尼器中液体(磁流变液)主要由非导磁性液体(如水或油)和均匀分散于其中的高磁导率、低磁滞性的微小软磁性颗粒(如羟基铁粉)组成。在外加磁场作用下，磁流变液流动特性会发生显著的变化(粘度增大、屈服应力增加)，表现为类固体特性；磁场作用撤除时，其性能又迅速恢复为良好的流动性，如图4、图5所示。磁流变阻尼器，因其阻尼力可调范围大、出力大、低功耗需求、反应迅速等特点，在半主动控制中表现出很大的优势。在半主动控制中，需要通过传感器采集速度或位移信号，按照主动控制算法计算确定最优控制力，根据磁流变阻尼器结构参数，反算电流并由控制电源施加，使得阻尼器的控制力尽可能接近主动最优控制力。阻尼器实际工作原理，如图6所示：阻尼器在各电流(I0～Imax)作用下的出力为速度的一次函数，如图6中各条平行直线，在工作中，通过计算并由控制电源施加的电流可使得阻尼力在不同的平行直线上取值，从而尽可能接近主动最优控制力，达到控制效果。
实施例4：
自集能原理：磁流变阻尼器活塞杆在外载激励下，相对于外套筒及其固定组件产生往复的平动，通过内附于活塞杆上的齿条带动圆柱齿轮转动，进而通过锥齿轮换向带动发电机转轴及转子一体转动。因固定于转子上的磁铁转动，从而发电单元中的定子线圈切割磁感线产生电能供给磁流变阻尼器。
动作流程：磁流变阻尼器活塞杆在外载激励下，相对于外套筒及其固定组件产生来回往复的平动，通过内附于活塞杆傻瓜的齿条带动圆柱齿轮转动，后通过锥齿轮的换向带动发电机转轴及转子一体转动。
实施例5：
整个阻尼器工作原理：磁力变阻尼器活塞杆在外在激励下，相对于外套筒及其固定组件产生来回往复的运动，通过内附于活塞杆上的齿条带动圆柱齿轮转动，进而通过锥齿轮换向带动发电机转轴及转子一体转动。发电机根据振动的不同产生不同大小的电流从而改变阻尼器的阻尼力性能，活塞杆再次在激励下产生平动，如此循环往复，从而实现在结构中的振动控制。
实施例6：
如图7所示，一种驱动能量自供给磁流变阻尼器，包括第一连接头(1)、第二连接头(16)、外套筒(7)、密封件(4)、阻尼器活塞杆(8)、阻尼器电磁线圈(6)和磁流变液，第一接头(1)安装在外套筒(7)的一端，第二连接头(16)安装在阻尼器活塞杆(8)的一端，本阻尼器还包括运动方式转换单元(5)和发电单元(2)，密封件(4)将外套筒(7)内部隔成两个密封的腔室，发电单元(2)安装在第一腔室(14)内，阻尼器电磁线圈(6)安装于第二腔室(15)内，磁流变液填充于第二腔室内，所述的运动方式转换单元包括齿条(11)、直齿轮(12)、锥齿轮(13)和转动轴(3)，阻尼器活塞杆(8)另外一端位于外套筒(7)内部，该端安装有一中空的管形结构，该中空的管形结构的一端穿过密封件(4)伸入到第一腔室内，转动轴(3)的一端伸入到该中空的管形结构内，阻尼器活塞杆(8)内刻与转动轴(3)配合的多头螺纹从而推动转动轴(3)转动，发电单元(2)包括整流器、永磁体转子(9)和定子线圈(10)，转动轴(3)的另外一端与永磁体转子(9)连接，定子线圈(10)位于永磁体转子(9)外围，永磁体转子(9)和定子线圈(10)分别与整流器电气连接，整流器与阻尼器电磁线圈电气连接。所述的阻尼器活塞杆(8)来回往复平动过程中，运动方式转换单元(5)和发电单元(2)将机械能转化为电能，供给阻尼器电磁线圈(6)，从而改变阻尼器的阻尼性能。定子线圈(10)上涂抹一层绝缘树脂实现与外壳(7)及密封件(4)的绝缘保护。
Claims (5)
1.一种驱动能量自供给磁流变阻尼器，包括第一连接头(1)、第二连接头(16)、外套筒(7)、密封件(4)、阻尼器活塞杆(8)、阻尼器电磁线圈(6)和磁流变液，第一接头(1)安装在外套筒(7)的一端，第二连接头(16)安装在阻尼器活塞杆(8)的一端，其特征在于：还包括运动方式转换单元(5)和发电单元(2)，密封件(4)将外套筒(7)内部隔成两个密封的腔室，发电单元安装在第一腔室(14)内，阻尼器电磁线圈(6)安装于第二腔室(15)内，磁流变液填充于第二腔室内，所述的运动方式转换单元包括齿条(11)、直齿轮(12)、锥齿轮(13)和转动轴(3)，阻尼器活塞杆(8)另外一端位于外套筒(7)内部，该端安装有一中空的管形结构，该中空的管形结构的一端穿过密封件(4)伸入到第一腔室内，该中空的管形结构内安装有齿条(11)，转动轴(3)的一端伸入到该中空的管形结构内，齿条(11)与直齿轮(12)连接，直齿轮(12)与锥齿轮(13)连接，锥齿轮(13)与转动轴(3)的一端连接，发电单元包括整流器、永磁体转子(9)和定子线圈(10)，转动轴(3)的另外一端与永磁体转子(9)连接，定子线圈(10)位于永磁体转子(9)外围，永磁体转子(9)与整流器电气连接，整流器与阻尼器电磁线圈电气连接。
2.一种驱动能量自供给磁流变阻尼器，包括第一连接头(1)、第二连接头(16)、外套筒(7)、密封件(4)、阻尼器活塞杆(8)、阻尼器电磁线圈(6)和磁流变液，第一接头(1)安装在外套筒(7)的一端，第二连接头(16)安装在阻尼器活塞杆(8)的一端，其特征在于：还包括运动方式转换单元(5)和发电单元(2)，密封件(4)将外套筒(7)内部隔成两个密封的腔室，发电单元(2)安装在第一腔室(14)内，阻尼器电磁线圈(6)安装于第二腔室(15)内，磁流变液填充于第二腔室内，所述的运动方式转换单元包括齿条(11)、直齿轮(12)、锥齿轮(13)和转动轴(3)，阻尼器活塞杆(8)另外一端位于外套筒(7)内部，该端安装有一中空的管形结构，该中空的管形结构的一端穿过密封件(4)伸入到第一腔室内，转动轴(3)的一端伸入到该中空的管形结构内，阻尼器活塞杆(8)内刻与转动轴(3)配合的多头螺纹从而推动转动轴(3)转动，发电单元(2)包括整流器、永磁体转子(9)和定子线圈(10)，转动轴(3)的另外一端与永磁体转子(9)连接，定子线圈(10)位于永磁体转子(9)外围，永磁体转子(9)与整流器电气连接，整流器与阻尼器电磁线圈电气连接。
3.根据权利要求1或2所述的一种驱动能量自供给磁流变阻尼器，其特征在于：所述的阻尼器活塞杆(8)来回往复平动过程中，运动方式转换单元(5)和发电单元(2)将机械能转化为电能，供给阻尼器电磁线圈(6)，从而改变阻尼器的阻尼性能。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种驱动能量自供给磁流变阻尼器，其特征在于：所述的定子线圈(10)上涂抹一层绝缘树脂实现与外壳(7)及密封件(4)的绝缘保护。
5.根据权利要求1-4任一所述的一种驱动能量自供给磁流变阻尼器，其特征在于：该阻尼器用于防震建筑和桥梁结构。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130918 |